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Partitionierung & Transmutation:
Wirksamkeit und Folgen für die Endlagerfrage
Gerald KirchnerUniversität Hamburg, ZNF
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Inhalt
1. Einleitung: Versprechungen und Perspektiven
2. Partitionierung & Transmutation
3. Einsatzszenarien in Deutschland
4. Konsequenzen für die Anforderungen an ein Endlager für wärmeentwickelnde Abfälle
5. Fazit
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Inhalt
1. Einleitung: Versprechungen und Perspektiven
2. Partitionierung & Transmutation
3. Einsatzszenarien in Deutschland
4. Konsequenzen für die Anforderungen an ein Endlager für wärmeentwickelnde Abfälle
5. Fazit
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„Das Beispiel Transmutation zeigt eindrucksvoll, we lches Potential die Grundlagenforschung – hier die Beschleunigertechnolo gie – zur Lösung gesellschaftlicher Herausforderungen birgt.“Johanna Stachel, Präsidentin der Deutschen Physikal ischen Gesellschaft
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Inhalt
1. Einleitung: Versprechungen und Perspektiven
2. Partitionierung & Transmutation
3. Einsatzszenarien in Deutschland
4. Konsequenzen für die Anforderungen an ein Endlager für wärmeentwickelnde Abfälle
5. Fazit
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Partitionierung ist …
in Wiederaufarbeitungsanlagen
Transmutation ist …
in kerntechnischen Anlagen
die selektive Abtrennung gewünschter Radionuklide ausden abgebrannten Brennelementen
die neutroneninduzierte Umwandlung von Radionukliden inidealerweise stabile oder kurzlebigere Isotope
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Kernreaktionen (→ Transmutation)
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Nutzung von Leichtwasserreaktoren ?
(eigene Berechnungen)
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Anforderungen an einen Transmutationsreaktor:
• essentiell: schnelles Neutronenspektrum
• wünschenswert: trägerfreier (inerter) Brennstoff
favorisierte Optionen
(1) Schnelle natriumgekühlte Reaktoren
(2) beschleunigergestützte Reaktoren
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Option (1): Schnelle natriumgekühlte Reaktoren
seit 70 Jahren existierende Technik
• entwickelt zur Nettoproduktion von Plutonium: schneller Brüter
• dafür heterogener Kern mit- Spaltzone: > 20 % Pu- Brutmantel mit Unat
• kompakter Kern, hohe Leistungsdichte
• metallisches Natrium als Kühlmittel
• meist schlechte Verfügbarkeiten
• Risiko von Leistungsexkursionen (Bethe-Tait-Störfall)
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Option (1): Schnelle natriumgekühlte Reaktoren
Weiterentwicklungen im Rahmen des Generation IV International Forum und der European Industrial Initiative on Sustainable NuclearEnergy:
• Transmutation von Aktiniden: vorgesehen→ Verzicht auf Brutmantel
• negativer Reaktivitätskoeffizient: Herausforderung → erfordert heterogene Rezyklierung→ ausgeschlossen ohne U-238 als Brennstoffmatrix
• geringe Effizienz der Transmutation: ca. 10-15 %→ vielfache Aktinidenrezyklierung unabdingbar
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Option (2): beschleunigergestützte Reaktoren
(bis heute) nicht existierende Technik
• unterkritischer Reaktor
• Kritikalität durch externe Spallationsneutronen→ keine Leistungsexkursionen möglich
• Kühlmittel & Spallationstarget: Pb oder Pb/Bi-Eutektikum
• Geringe Effizienz der Transmutation: ca. 10-15 %
• Herausforderungen: - kontinuierlicher p-Beschleuniger hoher Flussdichte- inhomogene Leistungsverteilung- Strahlenschutz
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Beschleunigergetriebene Systeme Schnelle natriumgekühlte Reaktoren
EFIT European Facility for Industrial Transmutation
ASTRIDAdvanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration (frz.)
MYRRHAQuelle: http://www.accelerators-for-society.org/prospects/index.php?id=10
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Wiederaufarbeitung (→ Partitionierung)
Option (1): Flüssig-Flüssig-Extraktion der Aktinide
Option (2): hydrometallurgische Trennverfahren
elektrochemische Verfahren (Elektrolyse)
Selective ActiNide Extraction – SANEXDIAMide Extraction – DIAMEXDiamide: Dimethyl-Dibutyl-Tetradecyl-Malonamid
Laborversuche am JRC-ITU (Institut für Transurane)
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Brennelementfertigung
● großtechnische Erfahrungen mit (Pu,U)O2-Fertigung und –Bestrahlung
● erste Bestrahlungsversuche mit Am-haltigem Brennstoff
● mit Aktiniden signifikant höhere n- und γ-Dosen → fernbediente Fertigung und Hantierung erforderlich→ Verzicht auf Cm-Rezyklierung erwogen
● als inerte Matrix (Pu,Am)-92Mo entwickelt→ 92Mo-Isotop muss auf 93 % angereichert werden→ muss aus Abfällen zurückgewonnen werden
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Inhalt
1. Einleitung: Versprechungen und Perspektiven
2. Partitionierung & Transmutation
3. Einsatzszenarien in Deutschland
4. Konsequenzen für die Anforderungen an ein Endlager für wärmeentwickelnde Abfälle
5. Fazit
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Ausgangsdaten
abgebrannte Brennelemente aus Leistungsreaktoren:
● 10.500 t Schwermetall
darin etwa
● 130 t Plutonium
● 40 t minore Aktinide (Np, Am, Cm)
● 430 t Spaltprodukte
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Das Gesamtsystem
● 7-8 Reaktoren für 150 Jahre (EFIT á 400 MWth)
● 1 große Wiederaufarbeitungsanlage
● 1 Fabrik zur Brennstofffertigung
● Ex-Core-Zeit 3 Jahre
● uranfreier Brennstoff
● ca. 150 Jahre Betrieb
● Aktinide: 170 t → ca. 5 t
● Spaltprodukte: 430 t → ca. 580 t
● ca. 100.000 t zusätzlicher schwach- und mittelradioaktiver Abfälle
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Inhalt
1. Einleitung: Versprechungen und Perspektiven
2. Partitionierung & Transmutation
3. Einsatzszenarien in Deutschland
4. Konsequenzen für die Anforderungen an ein Endlager für wärmeentwickelnde Abfälle
5. Fazit
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Perspektiven von P&T
● Geringeres Endlagervolumen
‒ Reduzierung des Wärmeeintrags ins Endlager
‒ Volumenreduktion der Abfälle
● Gefahrenreduktion durch geringere Radiotoxizität des Endlagerinventars
● Dramatisch verkürzte Lagerzeiten:statt 1 Million nur 100-1000 Jahre
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Wärmeentwicklung
● Wärmeleistung für 100 Jahre dominiert von Spaltprodukten, nicht durch Aktinide
● Wärmeleistung nach 100 Jahren von 18 MW auf < 1 MW gesunken
● Reduzierung der Wärmeleistung bei P&T vor allem durch lange Zwischenlagerung
● Zusätzliche Reduktion durch P&T nur für langfristige Wärmefreisetzung
→ Einfluss auf die Größe des Endlager gering
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Mengenreduktion
● Volumenreduktion von 28.000 m3 auf 9.500 m3
● hauptsächlich durch Abtrennen des Urans aus den Abfällen
● Uran muss in (neuem) Endlager für schwach- und mittelaktive Abfälle endgelagert werden
● geschätzte Größe eines zukünftigen Endlagers (Anteil der abgebrannten Brennelemente):
‒ Streckenlagerung: rund 1,1 Quadratkilometer
‒ Bohrlochlagerung: rund 0,4 Quadratkilometer
→ Mengenreduktion für Situation in Deutschland eher bedeutungslos
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„Das Beispiel Transmutation zeigt eindrucksvoll, we lches Potential die Grundlagenforschung – hier die Beschleunigertechnolo gie – zur Lösung gesellschaftlicher Herausforderungen birgt.“Johanna Stachel, Präsidentin der Deutschen Physikal ischen Gesellschaft
Risikoreduktion
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• Radiotoxizität ungeeignet, da Annahme eines vollständigen Verzehrs des gesamten radioaktiven Abfalls mit der Nahrung
● Nicht erfasst beispielsweise
‒ Auslaugraten, Lösungspotential
‒ Transport, Sorption
‒ Akkumulation, Zerfallsketten
‒ Mobilität in der Umwelt und Transfer in Nahrungsketten
Risikoreduktion
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Langzeitsicherheitsanalysen
● Wie verhalten sich die eingelagerten Abfälle?
● Auf welchen Wegen können sich welche Radionuklide wie rasch fortbewegen und bis in die Biosphäre ausbreiten?
● Wie verändern sich die geologischen Schichten (Erosion, Hebung/Senkung, Seismik, Vulkanismus, etc.)?
● Wie verändern sich Grundwasservorkommen und -ströme?
● Welche Änderungen ergeben sich durch Klimawechsel (Eiszeiten/Warmzeiten)?
● Welcher Dosis könnten Menschen in der Zukunft maximal ausgesetzt werden?
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Beispiel: Opalinus-Tonstein Benken (CH)
Reference Case Spent Fuel, Aus: NAGRA: Safety Analysis Entsorgungsnachweis, 2002
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Beispiel Salzstock
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Integrierte Dosisbeiträge bei Langzeitsicherheitsanalysen
0
5
10
15
20
25
30
35
40
US-Yucca Tuff BE-Safir-2 Ton F-Argile Tonstein CH-Benken Tonstein SE Forsmark Granit
Normal
SE Forsmark Granit
Worst Case
Inte
gri
ert
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esa
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r 1
Mio
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(S
v)
Langzeitsicherheitsanalyse für Endlagerprojekt ...
Herkunft von Beiträgen zur integrierten Gesamtdosis
Actiniden Aktivierung Spaltprodukte Brennstoff
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Inhalt
1. Einleitung: Versprechungen und Perspektiven
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3. Einsatzszenarien in Deutschland
4. Konsequenzen für die Anforderungen an ein Endlager für wärmeentwickelnde Abfälle
5. Fazit
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Fazit
● Partitionierung & Transmutation von Aktiniden wird keinen nennenswerten Beitrag zur Reduzierung potentieller Dosen nach Verschluss eines Endlagers für wärmeentwickelnde Abfälle leisten.
● Ihre Verwirklichung reduziert daher auch nicht die Anforderungen an die Isolationsgüte und –zeiträumeeines nuklearen Endlagers.
● Anders würde sich die Situation darstellen im Falle einer Partitionierung & Transmutation langlebiger Spaltprodukte.
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(Spektrum der Wissenschaft, Februar 2013)
Aber vielleicht ja doch …